Advanced Biosensing and Enhanced Photocatalytic Activity Based on Hybrid Plasmonic Nanostructures

Abstract

In CHAPTER Ⅰ, general concepts and a few applications of surface plasmon resonance (SPR) were described. Metal nanoparticles (NPs) exhibit unique photo-responsible resonance due to the resonance generated by light-stimulated free-electron vibrations. SPR can be summarized in two representative models, localized surface plasmon resonance (LSPR) and the propagating polaritons (SPP). SPP has been recognized as a surface-sensitive analysis due to the continuous dielectric constant change. The LSPR-induced electromagnetic field also provides the sensitive detection of small changes in the dielectric surroundings. Many studies have been explored for the enhancement of signal and SPR coupling effect. We introduced several reports utilizing the SPR coupling effect for signal enhancement and biosensing. In CHAPTER Ⅱ, the hybrid core-shell nanostructure were fabricated based on dopamine-mediated Au nanoworms (NWs) assembled of Au NPs conjugated with MoS_(2) nanosheets. Concretely, Au NWs provide a larger surface area than isolated NPs and showed multisite hot spots between Au NPs. In addition, the atomic layered MoS_(2) NS with a low background Raman signal can provide excellent Raman signatures. The simple way to enhance the Raman signal is the combination of Au NW with the ultra-thin MoS_(2) NS. To enhance the LSPR coupling effect between Au NWs and MoS_(2), PVP was utilized to reduce the PDA gap thickness due to the PVP can aggregate with PDA intermediates preventing the formation of the PDA, resulting in the decrease in the thickness of PDA. As expected, the combined nanostructure of AuNW@MoS_(2) showed the highest Raman enhancement over other structures due to the LSPR-induced coupling with a controlled gap layer of several nanometers between Au NW and MoS_(2) NS. In CHAPTER Ⅲ, hybrid nanostructures of plasmonic nanoparticles decorated on the electron-abundant Ti_(3)C_(2) MXene NSs via reduction of the Pd precursors were demonstrated. Pd NPs coupled Ti_(3)C_(2) nanostructures were used to investigate photocatalytic performance. The incorporation of Pd NPs results in the 1.7 times increase in the defect site of Ti_(3)C_(2) NS surface, which simultaneously induces effective separation and collection of the LSPR induced hot charge carriers from semi-metallic Ti_(3)C_(2) NS as well as the promoted generation of H_(2)O_(2). The generated H_(2)O_(2) is sequentially decomposed into hydroxyl radicals by the peroxidase (POD)-like activity of Pd NPs. The Pd@MXene shows approximately 2 times enhanced photocatalytic activity and exhibits excellent photostability under NIR laser irradiation. ;본 연구에서는 표면 플라즈몬 현상을 가지는 나노구조체와 2차원 소재를 이용하여 나노 하이브리드 구조체를 제조 및 응용하는 연구에 관해 소개하였다. 첫 번째 장에서는, 표면 플라즈몬 공명 현상과 플라즈몬 나노구조체, 2차원 소재의 일반적인 개념과 그 응용에 관해 소개하였다. 표면 플라즈몬 공명 현상은 나노크기 수준의 금속입자 표면의 자유전자의 집단적인 진동으로 일어나는 공명 현상으로 국소 표면 플라즈몬 공명 (LSPR) 이라고 하고 전자기장의 증폭을 유도한다. LSPR 에 의해 고도로 제한된 전자기장은 주위환경의 미세한 변화를 민감하게 감지 할 수 있는 특성을 나타냄으로써 대표적인 광 바이오센싱 기술로 많이 사용하고 있다. 신호 증폭을 위해 공명현상과의 커플링 효과를 활용하는 연구도 진행되고 있다. 또한 2차원 나노소재와의 커플링 현상을 이용해 표면 플라즈몬 현상을 증폭시킬 수 있으며 하이브리드 나노구조체는 바이오 센싱 뿐만 아니라 촉매 분야에도 응용이 가능하며 관련 연구동향을 소개했다. 두 번째 장에서는 플라즈몬 성능 향상을 위해 금 나노 입자로 자기조립된 나노 웜과 2차원 나노시트가 결합된 하이브리드 코어쉘 구조체를 합성했다. 나노 웜은 분리된 나노 입자보다 더 큰 표면적을 가지고 다중으로 형성된 핫 스팟을 가지고 있고 또한 얇게 제작한 나노시트는 높은 라만 신호 증폭 성능을 가진다. 합성된 하이브리드 나노 구조체는 플라즈몬 커플링 현상으로 라만 신호 증폭 성능이 우월하며, 이러한 코어쉘 나노 구조체는 바이오센싱 분야뿐만 아니라 촉매 등 분야에서도 유용하게 사용 할 수 있다. 세 번째 장에서는, 귀금속 전구체의 환원을 통해 2차원 나노구조체의 표면위에서 나노 입자를 합성 시켜 플라즈모닉 현상을 증폭한 다기능성 하이브리드 나노구조체를 합성했다. 팔라듐 나노입자는 우월한 촉매작용으로 다양한 분야에서 연관 연구가 많이 진행되고 있다. 자유전자가 풍부하고 광열전환 소재로 유명한 2차원 나노소재와 그 표면에 도입된 나노입자의 LSPR 커플링을 통해 나노구조체의 광촉매 성능이 향상되었고, 과산화수소의 형성 및 분해를 촉진시켰다. 이러한 다기능성 하이브리드 나노구조체는 촉매뿐만 아니라 바이오 메디칼과 같은 다양한 분야에 유용하게 사용 될 수 있다.